Вселенная

* * *

Одно ключевое слово позволяет привести все эти истории к общему знаменателю: эмерджентность. Как и многие волшебные слова, оно очень могучее, но также коварное — если его доверить кому попало, легко может использоваться не по назначению. Свойство системы называется «эмерджентным», если не входит в состав её «фундаментального» описания, но становится полезным или даже необходимым при рассмотрении системы в более широком контексте. Натуралист считает, что человеческое поведение эмерджентно: складывается из сложных взаимодействий атомов и сил, образующих каждый отдельный организм.

Эмерджентность повсюду. Рассмотрим какую-нибудь картину, например полотно Ван Гога «Звёздная ночь». Холст и масло образуют физический артефакт. На определённом уровне это просто набор определённых атомов, каждый из которых обладает своим положением. В картине нет ничего, кроме этих атомов. Ван Гог не приправил её никакой духовной энергией; он просто положил мазки на холст. Если бы атомы, из которых состоит картина, были расположены иначе, то это была бы уже другая картина.

Винсент Ван Гог. «Звёздная ночь»

Однако очевидно, что об этом физическом артефакте можно рассуждать не только как о некой атомной структуре — более того, такой способ определённо не лучший. Говоря о «Звёздной ночи», мы обсуждаем её гамму, настроение, которое она вызывает, вихри звёзд и Луны на небе, а возможно, и тот период, который Ван Гог провёл в лечебнице Святого Павла Мавзолийского. Все эти высокоуровневые концепции в определённом смысле дополняют сухой (но точный) список всех атомов, из которых состоит полотно. Эти свойства эмерджентны.

Классический пример эмерджентности, к которому всегда стоит вернуться, как только начнёшь путаться в этих вещах, — воздух в комнате, где вы находитесь. Воздух — это газ, и можно говорить о различных его параметрах: температуре, плотности, влажности, скорости и т. д. Мы воспринимаем воздух как сплошной флюид, и все эти параметры имеют числовые значения в каждой точке комнаты. Напомню, что флюиды — это газы и жидкости. Но мы знаем, что «на самом деле» воздух — не флюид. Если рассмотреть его под микроскопом, то мы увидим, что он состоит из отдельных атомов и молекул — в основном азота и кислорода, а также следового количества других элементов и соединений. Рассуждая о воздухе, можно было бы просто перечислить все эти молекулы — скажем, 10²⁸ штук — и указать их положения, скорости, ориентацию в пространстве и т. д. Иногда это называется «кинетической теорией», рассуждать таким образом совершенно правомерно. Указание состояния каждой молекулы в каждый момент времени — непротиворечивое и самодостаточное описание системы; будь вы столь же умны, как демон Лапласа, этого было бы достаточно, чтобы определить их состояние в любой другой момент времени. На практике этот способ крайне неудобен и никто им не пользуется.

Совершенно допустимо описывать воздух и в терминах макроскопического флюида, имеющего такие параметры, как температура и плотность. Существуют уравнения, описывающие, как отдельные молекулы сталкиваются друг с другом и изменяют траектории со временем; также есть отдельный набор уравнений, демонстрирующих, как изменяются во времени свойства флюида. При этом могу вас обнадёжить: чтобы найти решение, можно и не быть столь умным, как демон Лапласа, — с такой задачей вполне справляются обычные компьютеры. Метеорологи и авиаинженеры решают такие уравнения каждый день.

Два способа представления воздуха: в виде дискретных молекул и в виде сплошного флюида

Итак, «флюидное» и «молекулярное» описания — два разных способа рассуждения о воздухе, причём оба они — как минимум в определённых обстоятельствах — весьма точно и информативно описывают свойства воздуха. Этот пример иллюстрирует ряд аспектов, которые обычно характерны для дискуссий об эмерджентности.

• В различных сюжетах или теориях применяется совершенно разная терминология. Хотя эти теории и описывают одну и ту же базовую реальность, они представляют собой различные онтологии. В рамках одной из теорий мы говорим о плотности, давлении и вязкости флюида, в рамках другой — о положении и скорости отдельных молекул. Для каждой теории свойственно своё тщательно подобранное множество составляющих — объектов, свойств, процессов, взаимосвязей, и эти составляющие могут радикально различаться от теории к теории, несмотря на то что все они «истинны».

• У каждой теории есть собственная область применения. «Флюидное» описание будет неприменимо, если количество молекул в рассматриваемом объёме столь невелико, что важны свойства отдельных молекул, а не их множеств. Молекулярное описание имеет сравнительно широкую область применения, но тоже действует не всегда. Теоретически можно упаковать в достаточно небольшой объём пространства такое количество молекул, чтобы они образовали чёрную дыру — в таком случае молекулярная терминология уже будет неприемлема.

• Каждая теория в своей области применения автономна — полна и самодостаточна, не зависит ни от какой другой теории. Если мы говорим о флюиде, то описываем воздух в терминах плотности, давления и т. д. Указав эти величины, можно ответить на любой вопрос о воздухе в рамках этой теории. В частности, нам вообще не потребуется затрагивать какие-либо вопросы о молекулах и их свойствах. Исторически нам приходилось рассуждать о давлении воздуха и скорости ветра задолго до того, как мы узнали о том, что воздух состоит из молекул. Аналогично, рассуждая о молекулах, мы не упоминаем такие термины, как «давление» или «вязкость», — подобные концепции в данном контексте просто неприменимы.

Здесь сделаем важный вывод: теории могут опираться на совершенно несхожие идеи, но при этом правильно описывать один и тот же базовый материал. В дальнейшем этот момент будет принципиален. Организм может быть живым, хотя и состоит из неживых атомов. Животное может обладать сознанием, хотя его отдельные клетки и лишены сознания. Люди могут делать выбор, даже несмотря на то что концепция «выбора» неприменима к тем компонентам, из которых они состоят.

* * *

Если у нас есть две различные теории и они обе правильно описывают одну и ту же базовую реальность, то они должны быть связаны друг с другом и взаимно непротиворечивы. Иногда эти отношения просты и прозрачны, в других случаях приходится просто поверить, что они существуют.

Случай с динамикой флюида, возникающей из совокупности молекул, восхитительно прост. Одна теория может быть выведена непосредственно из другой благодаря процессу, именуемому огрублением. Можно напрямую соотнести одну теорию (молекулы) с другой (флюид). Конкретное состояние в первой теории — список всех молекул, их положений и скоростей — соответствует конкретному состоянию во второй, учитывающему плотность, давление и скорость флюида в каждой его точке.

Более того, множество различных состояний молекулярной теории соответствуют одному и тому же состоянию флюидной. В такой ситуации первая теория зачастую именуется «микроскопической», «тонкой» или «фундаментальной», а вторая «макроуровневой», «грубой», «эмерджентной» или «фактической». Эти характеристики не абсолютны. Для биолога, работающего с эмерджентной теорией клеток и ткани, теория об атомах и их взаимодействиях может быть описанием в микромасштабе; для специалиста по теории струн, работающего с квантовой гравитацией, суперструны могут быть микроскопическими сущностями, а атомы будут эмерджентны. Микроуровень из одного контекста оказывается макроуровнем в другом.

Мы хотим, чтобы наши теории давали физические прогнозы, согласующиеся друг с другом. Допустим, что состояние x в микроуровневой теории развивается в некое состояние y. Также предположим, что «эмерджентное» соотнесение позволяет уподобить состояния x и y состояниям X и Y в эмерджентной теории флюида. Поэтому было бы лучше, если бы X развивалось в Y по законам эмерджентной теории — как минимум с очень высокой вероятностью. Если исходить из микроскопического состояния, то процесс «развития ситуации во времени и отслеживания, как она отражается на уровне эмерджентной теории», должен давать такой же результат, как «отслеживание соответствующего процесса в эмерджентной теории с последующим развитием его во времени».